JPH0415415B2 - - Google Patents

Description

請求の範囲 １ 装置又は構造物の故障個所の検査における音
響放射の位置測定および分析のための方法であつ
て、音響放射源の位置は検査すべき装置の表面上
に間隔を置いて配置された複数の測定受信機Ｅに
到来する音響パルス及び測定受信機の座標から決
定される方法において、 各測定受信機Ｅで少くとも３個の音響変換素子
１により音響パルスの到着時間を検知する段階で
あつて、上記３個の音響変換素子１は間隔を置い
て配置され、これらの変換素子による上記測定受
信機Ｅの領域の直径の寸法は、同様な波形及び波
の種類及び速度のパルスが存在すると予想される
音響場の直径より小さく配置され、 個々の音響変換素子１において検出された上記
到着時間から各測定受信機Ｅのそれぞれの変換素
子１に対する伝播時間の差を決定する段階と、 上記伝播時間の差から各測定受信機Ｅに対する
音響の到着方向を通常の幾何学的計算により決定
する段階と、 それぞれの上記方向の値と上記複数の測定受信
機Ｅの位置座標から音響放射源の位置を決定する
段階とからなることを特徴とする音響放射の位置
測定及び分析方法。

２ 請求の範囲第１項による方法で、上記方向と
直接相関づけられた周波数分析が個々の測定受信
機Ｅで実行されることを特徴とする音響放射の位
置測定及び分析方法。

３ 請求の範囲第１項による方法で、信号のデイ
ジタル化に先だつた個々の変換素子１の信号の分
析ないし濾波をすることを特徴とする音響放射の
位置測定及び分析方法。

４ 装置又は構造物の故障個所の検査における音
響放射の位置測定および分析のための装置であつ
て、検査すべき装置の表面上に間隔を置いて配置
された複数の超音波測定受信機Ｅを含み、上記受
信機Ｅは変換された信号を回路ユニツトへ供給す
るための複数の変換素子１を含み、上記回路ユニ
ツトにおいて上記複数の変換素子１により受信さ
れた音響パルス間の伝播時間の差が決定され、ま
たこれらの決定された測定値は検査すべき装置の
表面上の上記複数の超音波測定受信機Ｅのそれぞ
れの座標と相関づけられて音響放射源の位置が決
定される装置において、 各々の上記超音波測定受信機Ｅは、相互に隣接
して配置された少くとも３個の別個の変換素子１
を含み、これらの変換素子１により覆われる領域
は、波形及び波の種類及び速度が同様な音響パル
スが存在されると予想される音響場の直径より小
さな直径をもち、 各々の上記変換素子１には、それぞれ別個の増
幅器２、デイジタライザ３、及び計数器５が直列
に接続され、 各々の上記超音波測定受信機Ｅの複数の上記計
数器５に直列に第１の計算器６が接続され、上記
計算機６は関連する上記受信機Ｅの計数値を受
け、これを評価して上記受信機Ｅに対する音響放
射源の存在する方向を通常の幾何学的計算により
決定し、また 上記第１の計算器６に直列に第２の計算機１２
が接続され、上記第２の計算機１２は上記第１の
計算器からの方向の値を上記複数の超音波測定受
信機Ｅのそれぞれの座標と相関させて上記音響放
射源の位置を決定することを特徴とする音響放射
の位置測定及び分析装置。

５ 請求の範囲第４項による装置で、第１のパル
スの到着したとき上記各受信機Ｅの全ての計数器
５を同時に開始させるための上記デイジタライザ
３に後続された計数開始器９を含むことを特徴と
する音響放射の位置測定及び分析装置。

６ 請求の範囲第５項による装置で、上記各受信
機Ｅの全チヤネルに対し同一の遅延時間を有し、
各々の上記計数器５の前に接続された遅延器４を
含むことを特徴とする音響放射の位置測定及び分
析装置。

７ 請求の範囲第４項から第６項の少くとも１つ
による装置で、上記超音波測定受信機Ｅは、計数
開始の時点を測定するための時刻測定器７を備
え、また上記時刻測定器７の測定値を上記第１の
計算器６へ供給するためのタイミングユニツトで
あるパルス制御器８を含むことを特徴とする音響
放射の位置測定及び分析装置。

８ 請求の範囲第４項から第７項のいずれか１つ
による装置で、各デイジタライザ３には選択され
たパルスの特性値のみを計数器５に通過させるフ
イルタないし分析器が前に接続されていることを
特徴とする音響放射の位置測定及び分析装置。

技術分野 本発明は異なる測定個所への音響パルスの到来
から音響放射源の位置を求める、音響放射の位置
測定と分析のための方法および装置に関する。更
に、本発明は、特に、装置や構造物の故障個所の
検査および装置や構造物の監視用の、上記方法に
従つて動作する音響放射位置測定、分析のための
装置に関する。

本発明の基礎となる問題提起を、以下、本発明
の主要応用分野に関連して説明する。本発明は、
しかし、上記分野のみに適用出来るだけでなく、
音響パルスの到来から音響放射源の位置測定を可
能にする他の如何なる分野にも適用出来る。

背景技術 機械や装置の運転において、工作物の内部から
生じる故障の開始と関連した雑音が発生すること
がありうる。例えば、微小領域において生ずる亀
裂は、部分的に故障のずつと以前の時点からこの
様な音波を発する。この様な音波は故障の早期知
覚に利用出来、これにより故障の度合、故障の進
行が把握出来る。これら過程の分析−音源の種類
の決定−と共に、特に、音源の局部化は修正の基
準決定に重要な意味を持つ。

音源の位置測定は、既知の方法によれば、音源
から種々の個別的に相互に大きい距離をもつて音
源の囲りに配置された受信機への音波の道のりで
生ずる走行時間差を測定し、この走行時間差よ
り、受信機の位置座標をもとに音源位置を計算す
る方法によつて行われる。既に発生したか、発生
しつつある故障個所に上記方法を適用するにおい
ては被検査体の表面に複数の受信機を１から５ｍ
の間隔で固定する。音響パルスが受信機に入る
と、これによつて供給される信号が走行時間の計
数を開始する。最も近接したプローブの走行時間
を比較し、走行時間差と受信機座標とから音源の
位置が得られる。（H.Bretfeld、A.Mo¨ller、H.−
A.Crostack：圧力容器をパルス状内圧で負荷す
ることによる音響放射分析の応用、
Materialpru¨fung（材料試験）19（1977）11、頁
467−70）。

この既知の位置測定が正しい結果に導く為には
以下の本質的な仮定が充されなければならない。

１ 音波が音源から受信機への途上を進展する速
度は既知でなければならない。何故ならば、も
しこれが既知でないならば、走行時間値からは
音波の進んだ道および音源から受信機への距離
が計算出来ないからである。

２ 音響パルスは密な時間列で生じてはならず、
明確な間隔を示さねばならない。最初のパルス
が全ての位置測定に必要な受信機に到達する前
に新しいパルスが他の個所に生じると誤つた位
置測定が生じる（H.−D.Steffens、H.−A.
Crostack：音響放射分析における諸影響の程
度、Zeitschrift fu¨r Werkstofftechnik（工作材
料技術のためのジヤーナル）（1973）８、頁442
−７）。

３ 波の種類ないしパルスの形状（例えば、振幅
ないし立上り時間）の変化は電子的記録装置
（トリガ）を異なつた時間に活動させるから、
音響パルスは互に類似でなければならない
（H.D.Steffens、D.Krempel、D.Stegemann、
H.−A.Crostack：音響放射の信号分析、
Zeitschrift fu¨r Werkstofftechnik（工作材料技
術のためのジヤーナル）６（1975）３、頁88−
94。

障害雑音源でなく“危険な”源を位置測定する
ためには、音源を同定しなければならない。この
ためには、既知の方法およびこの方法に従つて動
作する装置において位置測定と平行して−これと
同時ではなく−実施される分析が必要となる。

位置測定のため、音響放射事象に由来して生じ
る音響パルスにおいては、以上で用いられた（項
目）番号に関連して以下に述べる様に、上記の条
件は何れも満足されない。

項目１：音速： 通常パルス状に現われる、ある単一の音響放射
事象の出現においては、縦波および横波が生じ、
これらは角度依存性強度（放射方向特性）を示
す。これによつて、これら波は事象により異なる
強度を有し、異なる速度でもつて伝播する。

固体（装置、機械）を通過する際、これらの波
は反射され、減衰し、変換される。純粋なモード
変換の他に、この場合、これによつて生ずる波
（表面波、平面波、管状波、棒状波、その他）も
到来し、これらは部分的に非常に高い分散を示
す。これにより、伝播速度は未知の値、即ち、周
波数スペクトルに依存する。その上、この変換は
−個体の幾何学的形状に依存して−走行路に依存
するから、各音源−受信機間の距離に対して別個
の平均速度が存在する。

既知の位置測定法、およびこれに基ずいて動作
する装置においては真の実際値からずれた速度が
一定だと仮定されている。この為、結果は真の関
係から本質的なずれを生じる。

音波が異なる媒質、例えば水で満された容器を
ずれた速度で貫通する限り、類似の事が成立つ。
この場合でも、一定速度の仮定は測定結果の評価
において誤差に導かれ、この誤差が、これ迄、検
査に対する音響放射法の適用を無意味に見える様
にさせたに相違いない。

項目２：音響パルスの時間的間隔： 音響パルスが時間的に十分広く分離されて出現
する条件は特殊な場合−例えば、制御可能な負荷
条件による圧力検査−においてのみ充すことが出
来る。時間的に密に相互に連続する事象、例えば
熔接やはんだ過程で生じる塑性変形、接合部での
位相変換、ないし作業雑音においては、位置測定
はこれ迄不可能であつた。

項目３：パルスの類似性： この第３番目に充すべき条件は現実の構造にお
いては全く満足さすことは出来ない（H.−D.
Steffens、D.Stegemann、D.Krappel、H.−A.
Crostack：音響放射の信号分析、Zeitschrift fu¨r
Werkstofftechnik（工作材料技術のためのジヤー
ナル）６（1975）３、頁88−94）。音源は縦波およ
び横波を放射し、その強度は方向に依存して変動
する。項目１で述べた波の変換およびそれによつ
て発生した波による伝播のために強度関係が互に
それ以後変化する。更に、減衰によつてスペクト
ルが変化する事と受信機が特定の共鳴周波数に置
かれているために、一つの受信機の電子回路はパ
ルスの縦波成分に対して動作するが、他の受信機
の電子回路はその横波成分（例えば表面波）に対
して動作することが起りうる。これにより、位置
測定において大きい誤差が生じ、音源の同定は不
可能である。

これらの理由によつて、既知の方法によつて音
源の位置を決定することは平板や管の様な簡単な
構造物においてすら大きい困難にぶつかる。機械
や装置において与えられる複雑な幾何学的形状に
おいては、この困難は、位置測定を不可能にする
程、大きくなる。

発明の開示 本発明の課題の基礎は、パルス伝播速度が未知
で、時間的信号列が密で、信号雑音が大で、長い
走行路中で強度にパルスが変形し、又、複雑な幾
何学的形状の構造物でも、位置測定（発生個所の
位置決定）を実行することが可能で、これによ
り、故障個所の検査に対する音響放射法の応用分
野を本質的に拡張することが可能な方法および装
置を創り出すことにある。

本発明は、各測定個所の３つないしそれ以上の
密に隣接した、期待される音響場直径よりも狭い
幅の部分においてパルス到来時点を測定しこれか
ら直接もしくは実時間分析によつて各測定個所の
各部分に対する走行時間差を得、各測定個所に対
するこれら走行時間差の値より音響放射源が存在
する方向を決定し然る後、方向値と測定個所の位
置座標から音響放射源の位置を決定することにあ
る。

本発明は、更に、各受信機−検査頭部が３つな
いしそれ以上の個別的な変換素子を有しその全幅
が期待される音響場直径より小である上記方法を
実行する為の装置からなる。

本発明の他の特徴はサブクレームの対象であ
る。

【図面の簡単な説明】

本発明による方法を実行する為の装置の実施例
を添付のブロツク図で示す。

発明を実施するための最良の形態 検査頭部は原理的な構造および動作状態におい
て全て同じである故、簡単のため、装置の単一受
信機検査頭部のみを図示、記述する。

受信機Ｅは図示の実施例では３つの個別的な音
響変換素子１からなつている。しかし、その全幅
が予め定められた最大限界を越えないという条件
で検査頭部Ｅにそれ以上の変換素子１を組込むこ
とが可能である。受信機Ｅの直径は期待される音
響場の拡がりよりも小で、例えば25mmより小で、
従つて、素子１は音源の音響場領域内、例えばジ
グザグ波の場合6dB降下以内に存在する。素子１
は任意の変換材料及び変換構造（圧電性、電気力
学的、音響光学的、磁気歪性、その他）から作る
ことが出来る。

各変換素子１には−引用順に−増幅器とインピ
ーダンス変換器２、デイジタライザ３、遅延器
４、計数器５、パルス制御器８が接続されてい
る。デイジタライザ３は、更に、その出力が全て
の計数器５を同時に起動する計数開始器９に接続
されている。計数開始器９は最初に到来するデイ
ジタル化されたパルスにより起動され、従つて、
これによつて全計数器５が動作状態になる。遅延
器４の遅延時間は一つの受信機Ｅの全チヤネルに
対して同一で、例えば20n秒である。計数器５
は、規定の遅延を有する対応する受信機チヤネル
を経て到来する第１パルスにより停止される。時
間測定器７は計数器５の開始における絶対時間の
測定に寄与する。時間測定器は、計数器５と同
様、その信号出力を計算器、例えばマイクロプロ
セツサ６の入力に接続し、マイクロプロセツサ内
へはパルス制御器８によつて制御されて計数器５
と時間測定器７の測定値が導入される。各受信機
Ｅに対して別個の計算器、例えばマイクロプロセ
ツサ６が設けられて、入力された走行時間値から
受信機の個個の素子１の間の走行時間差を得、こ
れから通常の幾何学的計算によりパルスが到来し
た方向を計算し、これと並行して、パルスの識別
値として計数開始における絶対時間を記憶し、そ
れに引続いて、計数器５及びパルス制御器８に接
続されたリセツト遅延素子１５によつて計数器５
をリセツトすることにより、一定の遅延をもつて
計数器５の計数内容を消去するようにマイクロプ
ロセツサ６が動作する。前述の通常の幾何学的計
算は、例えば1984年にDortmund大学のAxel−
Henning Engelhardtによる論題「音響放射源の
位置測定に対する寄与」（thesis of Axel−
Henning Engelhardt of the University
Dortmund entitled “Beitrag Zur Ortung
von Schallemissionsguellen”）において発表さ
れているようなものである。

一つの装置の全てのマイクロプロセツサ６はそ
の出力にその装置の計算機１２を接続している。
図において、他の受信機の識別値を計算機１２に
入力する導線が１０，１１によつて示されてい
る。計算機１２には出力装置１３が後続されてい
る。インピーダンス変換器２とデイジタライザ３
の間には、場合に応じて、雑音をもつた信号から
その特徴を引出すことの可能なフイルタないし分
析器を接続することが出来る。

本装置は以下の様に動作する： その音源の位置測定を行なうべき音響事象が発
生すると、これに起因する音響パルスが−素子１
の異なる位置座標に応じて−異なる走行時間の後
この素子１に到来する。素子はこれから、電気信
号を発生し、この信号は素子１の増幅器内で−場
合に応じて前置ないし後置分析器又はフイルタと
共に増幅され、その後、デジタライザ３内でデイ
ジタル化される。変換器の信号から、又は、一分
析器ないしフイルタを中間接続した場合には、こ
の分析値から導かれるデイジタル化された信号は
計数開始器９および遅延器４に導かれる。最初に
到来する信号は、計数開始器９がこの信号に対応
する受信機Ｅの全ての計数器５を同時に開始させ
る様動作させる。この第１の信号は遅延器４を経
て、遅延時間の後、計数器５に到達し、これを停
止する。受信機の他のチヤネルのおくれて到来す
る信号は、その計数器５に、遅延時間に第１の信
号が入つて来たチヤネルに対する走行時間が付加
された後、到達する。それに対応して遅れて、他
の計数器５がオフとなり、従つて、一つの受信機
のチヤネルの計数値の差は走行時間差に対応す
る。走行時間差の計数に並行して、時間計数器７
により計数開始における絶対時間が測定される。

一つの受信機Ｅの全ての計数器５が停止した
後、その値はパルス制御器８により制御されて、
マイクロプロセツサ６に入力される。これによ
り、パルスの識別値として時間測定器７により測
定された計数器５の開始における絶対時間が記憶
される。マイクロプロセツサ６により絶対時間に
対する値が受けとられた後、一定の遅延をもつ
て、マイクロプロセツサ６に対応する受信機Ｅの
計数器５は消去される。各マイクロプロセツサ６
はそれに対応する受信機Ｅに対して、個々の変換
素子１におけるパルスないしその特徴の出現の間
の走行時間差と、これらから、パルスが受信機Ｅ
に到来した方向を計算する。

全ての受信機Ｅのマイクロプロセツサ６の方向
値は、予め既に受信機Ｅの座標が入力されている
装置計算機１２に入力される。計算機１２はこれ
ら受信機座標を以降の計算ステツプにおいて方向
値と関係ずける。即ち、方向値を重畳させ、方向
直線の交叉点を音源の位置と定める。

デイジタル化の前の単一素子の前述の分析にお
いては、音響パルスの一定の特徴の入力が測定さ
れる。この代りに、方向と直接相関をもつ分析
（例えば、周波数分析）を方向決定と並行して行
なうことが出来る。

受信機の方向を記憶し、あとで相互相関させる
事も出来る。これにより、非常に速い列の信号の
処理が可能になる。既知の方法では、約100／秒
の列が（受信機の間隔に依存して）処理出来た
が、今や処理は受信機間隔とは独立で、最大値約
１〜２ミリオン／秒の列を処理出来る。

発明の効果 現技術状態に対して、他の本質的な利点は以下
に存在する。即ち、 −音響パルスの方向が受信機１内で決定される
故、測定が音源から受信機までのパルスの速度
に独立となる； −受信機１（素子間隔＜音響場直径）内でパルス
は類似（波形及び波の種類及び速度）して存在
し、従つて個々の受信機により優先的に探知さ
れる波の種類は重要でなくなり、それから生じ
る誤差は除去される； −受信機毎にパルスの方向が決定されることによ
り、パルスが位置測定に必要な全ての受信機に
到達し終るまで待つ必要はない。単一の受信機
の値を記憶することが可能となる。

−パルスが受信機１内で類似して存在するので、
実時間における簡単な手段によつて、直接得ら
れるパルスの方向と相関ずけるか又はその特徴
から方向を決定する分析を実行する事が可能で
ある。この様にして、通常の走行時間差を考慮
する必要なく、パルスの一意的な識別が可能と
なる。

−方向が受信機毎に決定されるので、複雑な幾何
学的形状も検査出来る。方向決定によつて、反
射やモード変換が簡単に考慮出来、測定結果を
誤らせることがない。